مجله مهندسی آبیاری و آب ایران
پیاپی 9 (پاییز 1391)

تجزیه و تحلیل خشکسالی ها در پروژه های آب و همچنین بررسی ارتباط خشکسالی های هیدرولوژیکی و هواشناسی در مدیریت منابع آب از اهمیت بالایی برخوردار است. به همین منظور در این پژوهش به بررسی تطابق خشک سالی هواشناسی و هیدرولوژیکی در حوزه سراب صیدعلی طی یک دوره سی ساله از آمار روزانه دبی و بارش پرداخته شده است. برای داده های دبی ابتدا حداقل ماهانه دبی هر سال محاسبه شد، سپس با روش ویبول برازش و برای یک دوره صد ساله بسط داده شدند. سپس مقادیر متناظر با دوره بازگشت دو سال هر ماه به عنوان آستانه خشک سالی انتخاب شدند. مقادیر آستانه را برای داده های روزانه هر ماه در یک دوره سی ساله به کار برده و براساس آنها شدت تداوم خشک سالی محاسبه شد. برای داده های بارش کلیه مراحل فوق محاسبه گردید، با این تفاوت که در تعیین شاخص خشک سالی هواشناسی از شاخص SPI استفاده شده است. در آخر بین مقادیر دبی و بارش با تاخیر 1،2،3 روزه، همبستگی گرفته شد. نتایج به دست آمده نشان داد که رابطه مستقیم و معناداری بین دبی و بارش به صورت روزانه، ماهانه و فصلی وجود دارد و در هر سه حالت رابطه از سطح معناداری برخوردار بوده ولی مقدار همبستگی در داده های بدون تاخیر نسبت به بقیه بیشتر میباشد.

WMS از جمله سیستم های مدلسازی هیدرولوژیک و هیدرولیک مربوط به حوزه آبخیز است. این مدل برای آنالیز حساسیت و تخمین رواناب ناشی از آن به روش SCS در حوزه آبخیز چالوس واقع در استان مازندران استفاده شده است. ابتدا با استفاده از نقشه های ارتفاعی با ساختار رستری DEM به کمک نرم افزارTOPAZ، آبراهه ها و شبکه رودخانه ای حوزه ها مشخص شد و با همپوشانی نقشه فوق با نقشه های کاربری اراضی و گروه های هیدرولوژیک خاک تهیه شده از حوزه، مقدارCN زیرحوزه ها تخمین زده شده و در نهایت دبی رواناب زیرحوزه حوزه ها محاسبه گردید به علت عدم تطابق رواناب سیل مشاهده شده و رواناب سیل محاسبه شده در شرایط رطوبت پیشینII، آنالیز حساسیت مدل را با استفاده از پارامترهای مدل که شامل شماره منحنی، زمان تاخیر و تلفات حوزه میباشد در شرایط رطوبت پیشینIII تکرار نمودیم تا تطابق مناسبی بین رواناب سیل واقعی و رواناب سیل محاسبه شده مشاهده شد، نتایج نشان داد روش SCS به دلیل استفاده از پارامترهای درون حوزهای از دقت بالایی برخوردار است و همچنین فاکتورهای شماره منحنی و رطوبت پیشین خاک حساسیت بالایی نسبت به سایر پارامترهای فیزیکی و ادافیکی در تولید رواناب دارد از طرفی تولید رواناب سطحی در کاربری ها در شیب های مختلف بستگی به پوشش گیاهی دارد و صرفا با افزایش شیب افزایش نمی یابد. و همچنین مشخص شد زیرحوزه هایی که در قسمت بالادست حوزه قرار دارند پتانسیل بیشتری در تولید رواناب دارند، بنابراین با اقدامات مناسب آبخیزداری میتوان دبی رواناب را در سرمنشا مهار کرد.

زهکش ها مهمترین قسمت آبیاری محسوب می شود که برای طراحی و ساخت زهکش هایی با کارایی بالا و جلوگیری از ماندابی شدن زمین لازم است که اطلاعات کاملی از چگونگی مکانیسم جریان درون لوله های زهکش داشته باشد. به دلیل پیچیده بودن هندسه مجاری لوله زهکش، استفاده از دینامیک سیالات برای مطالعه خصوصیات هیدرولیکی جریان درون لوله های زهکش، بسیار مناسب می باشد. در این تحقیق، با استفاده از مدل عددی CFD و کامپیوتریFLUENT، رفتار جریان داخل لوله زهکش زیرزمینی را تعیین نحوه توزیع سرعت و فشار و همچنین پروفیل سطح آب در لوله های زهکش و نیز گرادیان هیدرولیکی برای مقطع طولی نیم متر پایینتر از کف لوله زهکش را به منظور طراحی هیدرولیکی زهکش ها شبیه سازی شد. بدین منظور، از مدل فیزیکی زهکش زیرزمینی که در آزمایشگاه گروه مهندسی آب دانشگاه تبریز ساخته شده، استفاده شد و سپس جریان درون لوله زهکش توسط مدل CFD شبیه سازی شدند و با ترسیم خطوط جریان توسط FLUENT نقاطی که افت زیادی دارند مشخص شدند بردارهای خطوط جریان درoutlet و intel لوله زهکش و همچنین پروفیل سطح آب و گرادیان هیدرولیکی در مقطع طولی زهکش برای دبی 67/69 لیتر بر ثانیه شبیه سازی شدند.نتایج دست آمده از شبیه سازی مطابقت بسیار خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد و بیانگر این موضوع است که مدل CFD می تواند ابزار بسیار مناسبی برای شناخت هیدرولیک جریان درون زهکش های زیرزمینی و کمک به طراحی آن باشد.

در این تحقیق کارایی یک روش نسبتا جدید به نام متریک در برآورد تبخیر و تعرق واقعی بر روی سه محدوده کشاورزی واقع در مجاورت ایستگاه های سینوپتیک مشهد، گلمکان و قوچان مورد بررسی قرار گرفته است. برای انجام این کار از تصاویر سنجنده استر استفاده شد. به دست آوردن تبخیر و تعرق در وضوح بالا (قدرت تفکیک مکانی بالا) با کالیبراسیون داخلی، یک مدل پردازش تصویر ماهواره ای برای محاسبه تبخیر و تعرق واقعی به صورت باقیمانده معادله بیلان انرژی سطحی است. اساس مدل متریک بر فرآیند بیلان انرژی سبال، که اولین بار توسط باستیانسن ارائه شده، استوار میباشد. روش متریک با استفاده از تبخیر و تعرق مرجع (مبتنی بر داده های زمینی) کالیبره می شود، تا خطای محاسباتی معمول در روش های بیلان انرژی مبتنی بر سنجش از دور را کاهش دهد. با توجه به نتایج به دست آمده، حداکثر میزان تبخیر و تعرق واقعی برای سه محدوده کشاورزی گلمکان، مشهد و قوچان به ترتیب برابر با 13/9، 29/7 و 37/2 میلی متر در روز به دست آمد. همچنین نتایج نشان داد که مدل توازن انرژی متریک از مدل های مناسب جهت برآورد تبخیر و تعرق واقعی در مقیاس محلی میباشد.

تبخیر و تعرق به طور مستقیم توسط لایسیمتر قابل اندازه گیری می باشد، اما این کار مستلزم صرف هزینه و وقت زیادی بوده و علاوه بر این بسیار دشوار می باشد. لذا در شرایط مختلف به برآورد این پارامتر پرداخته شده است. لذا در این تحقیق به مقایسه تبخیر و تعرق محاسبه شده به روش فائو پنمن مانتیث، بلینی کریدل، جنسن هیز، جنسن هیز اصلاحی و هارگریوز سامانی، مک کینگ و پریستلی تیلور با تبخیر و تعرق بدست آمده ازروش لایسیمتر در دشت سیستان پرداخته شده است تا بتوان روشی که بیشترین همبستگی را با این روش دارد شناسایی شده و در مواقع لزوم از آن استفاده کرد. نتایج نشان داد روش بلینی کریدل با ضریب 971/0 بیشتری همبستگی و روش هارگریوز سامانی با ضریب 694/0 کمترین همبستگی را با داده های لایسیمتری دارد. بنابراین می توان نتیجه گرفت در منطقه زابل که جزء مناطق خشک کشور می باشد معادله بلینی کریدل برآورد بهتری از تبخیر و تعرق ارائه می دهد.

فرایند تبخیر به علت نیاز به فاکتورهای اقلیمی مختلف و اثر متقابل این فاکتورها بر یکدیگر،یک پدیده غیر خطی و پیچیده است. یکی از مراحل پیچیده در مدل سازی غیرخطی، پیش پردازش پارامترهای ورودی برای انتخاب ترکیبی مناسب از آنها است. پیشپردازش داده ها سبب کاهش مراحل سعی و خطا و شناخت مهمترین پارامترهای موثر بر پدیده مورد نظر به منظور مدلسازی با استفاده از روش های هوشمند میشود. در این پژوهش از دو روش رگرسیون گام به گام (FS) و گاماتست (GT) برای پیش پردازش پارامترهای ورودی به شبکه عصبی پرسپترون چندلایه و سیستم استنتاج تطبیقی عصبی- فازی برای تخمین تبخیر روزانه ایستگاه هواشناسی شهرکرد استفاده شده است. برای ارزیابی تاثیر پیش پردازش پارامترهای ورودی با استفاده از معیارهای مختلف آماری سنجش خطا به مقایسه چهار مدل ANN-FS، ANN-GT، ANFIS-FS و ANFIS-GT (با پارامترهای پیشپردازش شده) با یکدیگر و همچنین با مدل های ANN و ANFISکه هیچگونه پیش پردازشی روی پارامترهای ورودی آنها انجام نشده است، پرداخته شد. نتایج نشان داد که هر شش مدل از دقت بالایی برای تخمین تبخیر روزانه برخوردار هستند و از میان شش مدل مزبور، مدل ANFIS-FS با مقدار ضریب تبیین (R2) 91/0 و جذر میانگین مربعات خطای (RMSE) 11/0 چه در مرحله آموزش و چه در مرحله آزمون، نسبت به مدل های دیگر از دقت بالاتری برخوردار است. اگرچه در این پژوهش برتری مدل های پیش پردازش ناچیز است اما توانایی مشخص نمودن ترتیب اهمیت پارامترهای ورودی، تعیین تعداد تقریبا 3720 دادهی معنیدار برای آموزش شبکه و یافتن بهترین ترکیب، آزمون گاماتست را میتواند به عنوان ابزاری مفید برای پیش پردازش پارامترهای ورودی برای مدلسازی سریعتر تبخیر تبدیل کند.

بی توجهی به تحلیل فراوانی میتواند موجب خسارت های جبران ناپذیر شود. از این رو همواره افزایش دقت در این زمینه مورد توجه محققین مختلف بوده است. در این مقاله داده های 52 ساله ی مشاهده شده بر روی رودخانه ی پلرود برای تحلیل فراوانی استفاده شده است. تحلیل فراوانی سیل با استفاده از دو تابع مختلف موجک (هار و دوبشی3) بر روی این داده ها انجام شده و نتایج آن ارائه شده است. در دومرحله داده های دبی کوچکتر از80% و 95% کوچکترین داده ی حداکثر سالانه، جهت کاهش تاثیر داده های بسیار کوچک در مدل موجکی حذف شد. سپس تحلیل فراوانی با استفاده از سری های جزئی و حداکثر سالانه و برازش به توزیع های آماری مختلف انجام شد و نتایج با تحلیل موجک مقایسه شده اند. مقایسه ی نتایج موجک با سری های جزئی و سری حداکثر سالانه بیانگر این نکتهی بسیار مهم است که دقت تحلیل و انتخاب روش، مبتنی بر طبیعت داده ها و ناحیه ی مورد مطالعه است. در حوضه ی پلرود سری های حداکثر سالانه، تخمین دست بالا را به دست می دهد چون تنها 06/0% از داده ها بیش از 200 مترمکعب برثانیه و 10داده بین 200 تا 537 مترمکعب برثانیه هستند.

برآورد رواناب حاصل از بارش های جوی اهمیت خاصی در مطالعات هیدرولوژی، مدیریت حوضه های آبخیز و حفاظت آب و خاک دارد. استفاده از مدل های شبیه ساز بارش- رواناب همانند WMS در سالهای اخیر گسترش فراوانی یافته است. این مدل با تلفیق امکانات GIS و مدل های هیدرولوژیکی رایج به ابزاری قدرتمند برای شبیه سازی فرآیندهای هیدرولوژیکی حوضه های آبخیز تبدیل شده است. در این مطالعه برای پیش بینی سیلاب حاصل از بارش حوضه آبریز قره سو در نرم افزار WMS، مدل HEC-HMS انتخاب شد. بدین منظور ابتدا مدل ارتفاعی رقومی در محیط نرم افزار Arc GIS ساخته شده و پس از انجام اصلاحات لازم وارد محیط WMS گردید. سپس با کمک مدل TOPAZ شبکه رودخانه ها، مرز حوضه و زیرحوضه ها و همچنین خصوصیات فیزیوگرافی زیرحوضه ها تعیین گردید. برای کالیبره کردن مدل سه رگبار مشاهده ای در زیرحوضه های مورد مطالعه به همراه سه سیل همزمان در خروجی هر زیرحوضه انتخاب شد. با بهینه سازی پارامترهای شماره منحنی، تلفات اولیه و زمان تاخیر بر اساس دو هیدروگراف مشاهده ای، مدل واسنجی و با استفاده از هیدروگراف مشاهده ای دیگر، مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان از برازش مناسب دبی اوج هیدروگراف های مشاهده ای و هیدروگراف های شبیه سازی شده دارد و اختلاف زمانی در رسیدن به اوج نیز مساوی یا کمتر از 90 دقیقه برآورد گردید. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت مدل نسبت به تغییرات رطوبت اولیه خاک نیز نشان داد که مقدار دبی اوج حساسیت قابل ملاحظه ای نسبت به تغییرات رطوبت اولیه خاک دارد.

مقاومت دربرابرحرکت جریان آب در مجاریب ازتح تاثیرعوامل مختلفی ازجمله جنس مصالح بسترو بدنه،شکل مقطع ومیزان نامنظمی آن،پوشش گیاهی،خمه ای رودخانه،شکل پلان مسیرمجرا و... قراردارد. این امردرهیدرولیک رودخانه اثرگذاشته وکلیه این عوامل درضریب زبری خودش رانمایان میسازد. یکی از پرکاربردترین معادلات تحلیل مقاومت جریان رابطه مانینگ میباشد، به طوریکه زبری سطح به وسیله ضریب مانینگ تعیین میشود. تجربه نشان میدهد که حساسیت مدل های پیش بینی کننده مشخصات جریان درمجاری بازنسبت به ضریب مانینگ زیاد بوده و لذاانتخاب صحیح آن درپروژه های مهندسی رودخانه از اهمیت بسزایی برخورداراست. این مطالعه تحقیقاتی به بررسی تعیین ضریب زبری متغیری که بتواند با شرایط مختلف هیدرولیکی و رودخانه تغییر کند، پرداخته است. برای تعیین ضریب زبری مجموعه داده های دو بازه زمانی برای رودخانه کارون استفاده شد. نتایج تحقیق نشان داد که با استفاده از ضریب زبری متغیر، میزان خطای مدل برای پیش بینی ارتفاع سطح آب به میزان بیشتر از 20% بهبود پیدا میکند. همچنین ضریب زبری برای رودخانه کارون به کمک روش پیشنهاد شده کاون، برای دوره ی زمانی کم آبی و پرآبی تخمین زده شد. سپس این مقادیر با ضرائب زبری محاسبه شده توسط مدل ریاضی برای همان دوره ها، با موفقیت مقایسه شدند.

شاخص SPI علیرغم سادگی و فراگیر بودن آن نمی تواند بدون آزمون دیگر شاخص ها برای شرایط مختلف آب و هوایی به عنوان شاخصی ملی پذیرفته شود. شاخص RDI با همان ساختار SPI به علت بهره گیری از تبخیر و تعرق پتانسیل در ساختار خود برای ارزیابی خشکسالی کشاورزی و هیدرولوژیکی از قابلیت های ویژه ای برخوردار می باشد. در این تحقیق، دو شاخص مزبور به صورت موردی بر روی دو ایستگاه در دشت قزوین مورد آزمون قرار گرفتند. نتایج نشان دادند که تفاوت معنی داری میان دو شاخص در ارزیابی و پایش خشکسالی وجود ندارد ولی شاخص RDI در مورد خشکسالی های بسیار شدید از حساسیت بیشتری برخوردار می باشد. به نظر می رسد که در ارتباط با خشکسالی کشاورزی، درصورت موجود بودن آمار دراز مدت، شاخص RDI موفق تر از SPI عمل می نماید. براساس نتایج بدست آمده، قزوین خشکسالی های کشاورزی بسیار شدیدی را تجربه نموده چنانکه در طول 60 سال گذشته حداقل یکبار خشکسالی با دوره بازگشت 50 سال و دو بار نزدیک به 25 ساله را تجربه نموده است. این امر وضعیت بحرانی کشت دیم متکی بر رطوبت خاک ناشی از باران و لزوم توجه به کشت آبی را گوشزد می نماید. در عین حال ارزیابی هر دو شاخص از خشکسالی هیدرولوژیکی با توجه به اینکه پس از هر بار خشکسالی شدید منطقه دوره مرطوب مناسبی را تجربه ننموده، وضعیت شکننده منابع آب منطقه را نشان می دهد. این موضوع لزوم تقویت سیستم منابع آب منطقه و جلوگیری ازانتقال آب به استانهای تهران و گیلان را خاطر نشان می سازد.